BLDC ESC 无刷直流电子调速器驱动方式

1. 源由

BLDC ESC需要比较复杂的时序和相位控制，才能保证其高效运转。

而这种逻辑控制方式通常是通过控制器+传感电路行程的闭环解决方案。

这里将集中整理当下的方案并做简单介绍，并结合实际情况重点阐述航模上经常用到的驱动方式。

2. 驱动方法

目前看主要有以下几大类：

• Trapezoidal 120°
• Trapezoidal 150°
• Sinusoidal 180° //常见驱动方式，采用PWM驱动
• Field-Orientated Control (FOC) //效率更高，电路更复杂，需要大量计算资源

2.1 Trapezoidal 120°

2.2 Trapezoidal 150°

2.3 Sinusoidal 180°

• Smoother, quiet commutation
• Sinusoidal current produced by using PWM-varying profile for each phase
• Can be sensor or sesorless closed loop
• Speed application for models like copter, plane, boat etc.

2.4 Field-Orientated Control (FOC)

3. FOC（Field-Oriented Control）

3.1 引入坐标系

• ABC坐标系
• $\alpha ,\beta$坐标系
• QD坐标系

3.2 Clarke and Park变换

Clarke 和 Park 变换是电机控制中非常重要的数学工具，主要用于简化三相交流电机的分析和控制。这两种变换可以将三相交流电的复杂相位关系转换成更易于处理的数学形式。

Clarke 变换（αβ变换）

Clarke 变换的主要作用是将三相交流电的电流或电压转换成两个直角坐标轴（α轴和β轴）上的分量。通过这种转换，可以更方便地对三相电机的动态行为进行分析和控制。

公式：假设有三相电流 $i_a,i_b,i_c$，克拉克变换将其转换为两个分量 $i_{\alpha }$ 和 $i_{\beta }$：

$$i_{\alpha }=i_a$$
$$i_{\beta }=\frac{1}{\sqrt{3}}(i_a+2i_b)$$

Park 变换（dq变换）

Park 变换在 Clarke 变换的基础上进一步简化，将 αβ 坐标系中的分量转换成直流形式的 dq 坐标系。这种转换使得电机的动态行为与时间无关，更易于控制。

公式：在进行 Park 变换时，坐标轴通常与电机的旋转磁场同步旋转，定义如下：

$$i_d=i_{\alpha }\cos (\theta )+i_{\beta }\sin (\theta )$$
$$i_q=-i_{\alpha }\sin (\theta )+i_{\beta }\cos (\theta )$$

其中， $\theta$ 是同步旋转坐标系相对于静止坐标系的相位角。

3.3 $\theta$角度相位推导

根据Clarke and Park transformation可以进行以下推导，只要$i_{a/b/c}$满足下面条件，就可以确保转子恒定锁住Q方向。

• Step1：在ABC坐标下，$i_{a/b/c}$以正弦方式进行驱动为：

$i_a=-i\ast \sin (\theta )$
$i_b=-i\ast \sin (\theta -120)$
$i_c=-i\ast \sin (\theta +120)$

• Step2：根据Clarke 变换（αβ变换）转换到$\alpha ,\beta$系统下，其表达式为：

$i_{\alpha }=i_a=-i\ast \sin (\theta )$
$i_{\beta }=\frac{i_b-i_c}{\sqrt{3}}=i\ast \cos (\theta )$

• Step3：根据Park 变换（dq变换）转换到$D,Q$系统下，其表达式为：

$i_Q=i$
$i_D=0$

4. 空间矢量调制

空间矢量调制（Space Vector Modulation，SVM）是一种用于控制电机的高级调制技术，特别是用于三相逆变器中。它通过生成一种优化的电压矢量组合，以达到更好的控制效果。SVM通常用于变频器驱动的交流电机，如无刷直流电机和感应电机。

SVM的核心思想是将三相交流电的参考电压矢量在逆变器的可能输出状态（电压矢量）之间进行插值，以实现对输出电压的精确控制。具体来说：

4.1 逆变器状态

逆变器状态：三相逆变器有8种开关状态（0到7），对应于逆变器输出的8种不同的电压矢量。其中，6个是非零矢量，2个是零矢量。

4.2 电压矢量图

电压矢量图：这8个电压矢量可以表示在一个二维的六边形图上，非零矢量在六边形的六个顶点，零矢量在原点。

4.3 参考矢量生成

参考矢量生成：根据控制要求生成一个参考电压矢量 ${\mathbf{V}}_{\text{ref}}$，其位置和幅值代表了电机所需的电压和相位。

4.4 空间矢量合成

空间矢量合成：通过选择相邻的两个非零矢量以及零矢量来合成所需的参考矢量。该过程涉及计算各矢量的作用时间，以确保最终的平均电压矢量与参考矢量一致。

5. 总结

FOC（Field-Oriented Control）和正弦波控制（Sinusoidal Control）是两种用于无刷直流电机（BLDC）控制的不同技术，它们在实现方法和控制效果上有一些显著的区别。

5.1 正弦波控制（Sinusoidal Control）

工作原理：

1. 电流波形：正弦波控制通过产生正弦波形的电流，驱动BLDC电机的定子绕组。
2. PWM调制：通过PWM（脉宽调制）技术，控制逆变器输出，使得三相绕组中的电流近似为正弦波形。
3. 感应电动势：由于BLDC电机的绕组中产生的感应电动势也是正弦波形，正弦波控制能够与其很好地匹配。
4. 转矩输出：正弦波控制能够提供平滑的转矩输出，减少了电机的振动和噪音。

优势：

• 简单易用：实现简单，控制策略直接，适合一些简单应用场合。
• 低噪音：由于电流波形是正弦的，电机运转时的噪音和振动较低。
• 低成本：适合成本敏感的应用，控制器实现简单。

劣势：

• 转矩波动：转矩输出在特定条件下可能不如FOC稳定，特别是在低速情况下。
• 效率限制：在某些情况下，效率可能不如FOC高。

5.2 FOC（Field-Oriented Control）

工作原理：

1. 坐标变换：FOC通过使用Clarke和Park变换，将三相电流转换到一个直角坐标系（d-q轴）上。
2. 独立控制：在d-q轴上，d轴电流用于控制磁链，q轴电流用于控制转矩，实现对转矩和磁链的独立控制。
3. 逆变器驱动：经过坐标变换和电流调节后，再将控制信号转换回三相系统，驱动逆变器。

优势：

• 高效率：FOC能够更好地利用电机的磁链，实现更高的效率。
• 精确控制：能够实现对转矩和速度的精确控制，适合高性能应用。
• 响应速度快：能够快速响应电机负载和速度的变化，适合动态要求高的场合。

劣势：

• 复杂性：实现较为复杂，需要更高的计算能力和控制策略。
• 成本高：由于需要更复杂的控制算法和硬件，成本相对较高。

5.3 分析

• 应用场景：正弦波控制适用于简单、成本敏感的应用，具有低噪音和简单易用的特点。FOC适用于高性能、高精度的应用场景，具有高效率、快速响应和精确控制的优势。
• 实现难度：FOC实现复杂度较高，需要更先进的控制算法和硬件支持，而正弦波控制相对简单。
• 转矩输出：FOC在不同速度和负载条件下都能提供平稳的转矩输出，而正弦波控制在低速时可能会出现转矩波动。

根据应用需求和系统要求，可以选择合适的控制策略来实现BLDC电机的驱动。

6. 参考资料

【1】BLDC ESC 无刷直流电子调速器简介
【2】BLDC ESC 无刷直流电子调速器工作原理
【3】BLDC ESC 无刷直流电子调速器工作过程
【4】AM32开源代码之工程结构